芽孢杆菌促进植物生长的研究进展

王湘莹, 王晓明*, 徐少东, 田舒妍, 杨琦

(1.湖南省林业科学院 林草培育研究所,长沙410004;2.中南林业科技大学 林学院,长沙410004)

芽孢杆菌通常指能产生内生芽孢的,且属名带有“Bacillus”的一类菌种,源于芽孢杆菌目下的芽孢杆菌科、脂环酸芽孢杆菌科、类芽孢杆菌科、动球菌科、芽胞乳杆菌科5科,74属,813种[1]。2017年王阶平等[2]对已报道的芽孢杆菌,如巴斯德代柄菌科、嗜热放线菌科等科中能形成芽胞,但属名不带有“Bacillus”的种进行了整理和归纳,在芽孢杆菌目中,能产生芽胞的菌种类为1 078种,隶属于8科,112属。芽孢杆菌广泛存在于自然界中,与动植物和生态环境密切相关,且在工农医药环境等领域有着广泛的运用。研究表明,芽孢杆菌在生产酶[3]、固氮[4]、促进植物生长、防御病虫害[5]、生产多种工业用料等方面具有巨大潜力;能有效防治土传染病[6],尤其是对青枯劳尔氏菌[7]、欧文氏菌[8]、大丽轮枝菌[9]等多种病原菌有较强的拮抗作用;能有效防治其造成的青枯病、软腐病、黄萎病等,提高植物的御病机能[10],并促进植物生长发育。芽孢杆菌也可以作为农业生产中的重要微生物肥[11],在溶磷、解钾、调节土壤微生态等方面有显著功效。芽孢杆菌应用前景巨大,可改善、缓解化学肥料和农药造成的土壤板结、重金属富集等现象,亦可替代化学农药进行病虫害的防治从而减少农药残留造成的生态环境破坏。本文拟从芽孢杆菌对植物生长发育影响的研究现状入手,总结并解析芽孢杆菌对促进植物生长发育的作用机理,为芽孢杆菌在农林生产中的应用提供参考依据。

1 芽孢杆菌种类

芽孢杆菌种类繁多,但在农林业中主要使用的种类有类芽孢杆菌、胶质类芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、贝莱斯芽孢杆菌等。

类芽孢杆菌属(Paenibacillus)是厚壁菌门(Firmicutes)类芽孢杆菌科(Paenibacillaceae)的一类芽孢杆菌,类芽孢杆菌有固氮、溶磷、抑制病原菌生长、促进植物生长发育、诱导植物产生抗性等多种作用[12]。

胶质类芽孢杆菌(Paenibacillusmucilaginosus)为一种重要的微生物肥料生产菌种[13],是从土壤中分离出来的能够分解正长石和磷灰石的硅酸盐细菌[14],与类芽孢杆菌同属。

苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)属芽孢杆菌科、芽孢杆菌属,对害虫有巨大毒杀作用,是近年来研究最深入、开发最完善、应用最广的微生物杀虫剂[15]。

枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)广泛存在于土壤之中,对多种农作物的土传病害能起到抑制作用,对植物生长有一定的促生作用,在动植物领域,都有较高的利用价值[16]。

巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)是芽孢杆菌属的一种重要细菌。巨大芽孢杆菌具有解磷和固钾的功能,在农业中通常用作微生物肥。此外,巨大芽孢杆菌也有促进植物生长、提高植物抗性的功效[17]。

解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)是一种被广泛应用的生物防治菌,解淀粉芽孢杆菌的抗菌范围广泛,抗菌效果优良,可以抑制多种病原菌生长[18]。

贝莱斯芽孢杆菌(Bacillusvelezensis)广泛存在于自然界中。贝莱斯芽孢杆菌具有广谱拮抗活性,同时还能对作物产生促生的作用[19]。

2 芽孢杆菌促进植物生长机制研究

2.1 分泌IAA

植物细菌具有合成某些植物激素的能力,如细胞分裂素(CTK)、吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA3)等,这些激素有助于植物更有效地吸收土壤中的水和营养物质,是植物与内生细菌之间的一种互作方式。需要注意的是,IAA作为关键物质广泛存在于这些细菌内部,几乎影响着植物生长发育的各个方面,是植物共生细菌所必需的一部分[20]。菌种不同合成IAA的能力不一,其中芽孢杆菌属的菌株为IAA高产菌[21]。

通常色氨酸的含量影响内生细菌IAA的合成[22]。研究表明,在无机培养基或有机培养基上适当添加外源色氨酸,都能显著提高IAA的合成[23]。当外源色氨酸的浓度添加至200 μg/mL时,芽孢杆菌的合成效率最高[23-24]。此外,培养基的成分和发育阶段也会影响细菌合成IAA的能力。例如,将泛菌属(Pantoea)和金黄杆菌属(Chryseobacterium)在矿物质油下保存数月后,发现它们无法合成IAA,完全失去合成能力。而欧文氏菌属(Erwinia)、农杆菌属(Agrobacterium)、副球菌属(Paracoccus)等的合成机能则会显著降低[25]。因此,合理储存细菌以确保其合成IAA的能力不受影响极其重要。

2.2 生物固氮

类芽孢杆菌中至少有20种芽孢杆菌具有固氮能力[26],可以为植物提供氮养分[27]。分别在小麦、玉米、灌木根际发现的P.zanthoxyli及P.rhizophilus、P.brasilensis及P.maysiensis、P.sabinae均具有固定氮气的能力[28-32]。固氮酶是生物固氮不可缺少的,通过对固氮酶活性检验及基因鉴定可以快速有效地检验出生物的固氮能力。在Seldin[33]的固氮类芽孢杆菌研究中,他使用nif探针对不同土壤类型的菌株进行了分离,以研究它们的固氮功能。结果显示,在这16个菌株中发现的nif基因群在这些菌种中具有高度保守性。

在15个固氮芽孢杆菌菌株的固氮功能研究中发现,这些菌株除了依赖钼的固氮酶(nif)外,还有一些单纯依赖钒和铁(Vnf)或仅依赖铁(Anf)的不含钼辅助因子的酶,其基因组上有9个nif基因[34]。Vnf或Anf在缺钼条件下表示[35]。除nif外,土地类芽孢杆菌(P.terrae)NK3-4基因组还保留了hesA和hesB/hesBnifs[36]。HesA和HesB都与固氮酶的成熟有关,高固氮活性的类芽孢杆菌需要HesA和HesB来实现,但这种活性只会在没有化合氮存在的情况下表达[37-38]。最近的一项研究表明,多粘类芽孢杆菌WLY78 HesA突变体在高钼酸盐或高胱氨酸条件下几乎完全失去了固氮能力,这结果表明HesA是一种不可或缺的新型蛋白,与Mo-Fe固氮酶中S和Mo的引入有关[39]。

2.3 溶磷

磷溶性微生物通过多种机制溶解难以分解的磷,其中包括有机酸酸解(分泌葡萄糖酸)、酶解(磷酸酶、脱氢酶、核酸酶)以及直接氧化[40]。芽孢杆菌代谢过程中释放的有机酸通过离子交换、金属离子的消融,或者降低土壤pH值,从矿物结晶中释放出磷。对35种芽孢杆菌的遗传分析表明,大多数磷溶性杆菌含有与葡萄糖酸代谢相关的基因。且供试菌株的C-P键和磷酸盐特异性运输系统均表现出高稳定性[41]。此外,Eastman等[42]对4株多粘类芽孢杆菌基因组进行比较和遗传分析表明,供试菌株中均含有溶磷基因(gcd)、磷酸盐载体等负责磷酸盐溶解的基因,有助于多粘类芽孢杆菌快速响应动态的环境。

2.4 产生铁载体

铁元素是植物体内不可缺少的微量元素,它参与叶绿素的合成、呼吸作用和氧化还原反应,并组成重要功能蛋白。缺铁会导致植物叶片枯黄,严重抑制植物的正常生命活动。植物通常通过螯合土壤中游离状态的二价铁离子和三价铁离子,并利用转运蛋白将铁元素转运至细胞内。大多数植物主要吸收二价铁,但在适宜土壤pH下,铁元素的溶解度较低且以三价铁形式存在,而植物根部产生三价铁离子螯合物效率并不高,这造成即便增加土壤中的铁元素含量,植物也难以吸收的情况。然而微生物产生的铁载体可在限制条件下较高效地对三价铁离子进行螯合,并通过转运蛋白将铁元素转运至细胞质内并转化为二价铁,这不仅可以快速争夺其他病原菌的铁元素,也可以为植物供应足量的二价铁,保证植物体内的铁元素充足。目前在多粘类芽孢杆菌、短小芽孢杆菌的相关研究中都发现芽孢杆菌有产生铁载体的能力,这是芽孢杆菌对植物促生功能的重要表现[43]。

3 芽孢杆菌促进植物生长能力研究

3.1 多粘类芽孢杆菌的促生

多粘类芽孢杆菌对茶树、小麦、玉米、番茄等有促进生长、增加代谢产物及提高抗病能力的作用(表1)。王佳欢等[44]发现分离自小麦叶际的多粘类芽孢杆菌EBL-06对茶树生长和茶叶品质均有促进提升作用,百芽重、茶叶产量、水浸出物、茶多酚、咖啡碱、氨基酸比对照组分别提高了1.33克/百芽、1.9克/方格、4.08%、4.75%、0.33%、1.07%。邓云[45]从染菌大麦粒诱导分离了拮抗菌株,鉴定为多粘类芽孢杆菌DY04,研究其对小麦赤霉病的防效和小麦产量的影响,发现赤霉病防治率达58.43%,小麦籽粒千粒重比对照组增加8.83%,理论产量增加45.21%。牛永艳等[46]从好氧污泥中分离多粘类芽孢杆菌SWS-15,发现相比对照,该菌能显著提高苗盘玉米株高和冠径。金美芳等[47]对番茄使用多粘类芽孢杆菌S960灌根后,番茄叶绿素a、PN、植株地上生物量、根系生物量、株高、茎周长相对于对照组均显著升高。

3.2 解淀粉芽孢杆菌的促生

解淀粉芽孢杆菌对马铃薯、西瓜、玉米、黄瓜、番茄等有促进生长,提高生物量和产量的作用(表1)。张晓云等[48]对多个来源的作物根际土壤进行解磷菌分离,筛选出的菌株PHODG36对马铃薯幼苗株高、地上鲜重和干重、根鲜重和干重的增加有明显的促进作用,该菌株经鉴定属于一种解淀粉芽孢杆菌。李晨雨等[49]将北京农学院植物病理实验室分离保存的解淀粉芽孢杆菌TR2经过利福平抗性诱导后,成功定植在基质中,并发现其对西瓜幼苗株高和鲜重增加具有促进作用。马婷玉等[50]研究发现解淀粉芽孢杆菌Bam723可提高盐碱胁迫下玉米幼苗的株高、茎粗、地上部及地下部干重和根冠比,明立伟等[51]对解淀粉芽孢杆菌Bam688的研究也有类似发现。任晶等[52]发现解淀粉芽孢杆菌SQR9能够促进黄瓜的生长,作用机制主要为对氨基酸与碳水化合物代谢和生长素信号途径的调控。要雅倩等[53]从桃树根际土壤中分离筛选出解淀粉芽孢杆菌T-6,发现该菌能使番茄幼苗干重、根总长与叶绿素相比对照组提高31.81%、50.79%、35.11%。

3.3 枯草芽孢杆菌的促生

枯草芽孢杆菌对苹果、紫花苜蓿、番茄、玉米、辣椒等有促进生长的作用(表1)。杨永丰[54]从新疆新源县不同种植物根际土壤中分离出的枯草芽孢杆菌Bam190能促进寒富苹果树根部和地上部分的生长,如增加根的干重、侧枝挂叶量、叶片饱满程度等;同时促进叶片气孔开放,增强水分及无机盐的吸收与利用。此外,芽孢杆菌可调节土壤pH,增加了土壤微生物多样性和益生菌群的丰度。史怡梦等[55]在黑龙江兰西基地紫花苜蓿根际土壤中提取了枯草芽孢杆菌YB-2,发现其具有显著增加紫花苜蓿株高、株重、根长的作用。邵美琪[56]研究发现经枯草芽孢杆菌NCD-2处理后的番茄在盐胁迫条件下的株高,茎部鲜重、干重,根部鲜重、干重与空白对照相比分别提高了26.70%、24.90%、23.78%、22.49%、24.22%。宫安东等[57]从茶树根际土壤分离筛选出枯草芽孢杆菌WY8-7,该菌能显著增加苗期玉米的多项生长指标。谢梓语等[58]研究发现枯草芽孢杆菌B1409对番茄与辣椒的生长具有促进作用。

3.4 苏云金芽孢杆菌的促生

苏云金芽孢杆菌对水稻、番茄、黄瓜等有促进生长的作用(表1)。饶文华等[15]研究发现苏云金芽孢杆菌ZYR3在镉胁迫下对水稻种苗苗高与根长的影响较小,叶绿素a、叶绿素b含量相对于对照有显著提高,枯黄率与褐斑率相对于对照显著降低,证明苏云金芽孢杆菌ZYR3整体上对于镉胁迫下水稻具有一定促生作用。黄大野等[59]发现苏云金芽孢杆菌NBIN863使番茄株高、根长、全株鲜重相比对照组分别增加了49.10%、43.69%、52.50%。刑芳芳等[60]将从大棚黄瓜根际土壤分离的苏云金芽孢杆菌KN1进行发酵,用制成的菌剂对黄瓜进行蘸根处理后,发现植株鲜重、根干重分别比对照组增加了30.33%、70.89%。

3.5 胶质类芽孢杆菌的促生

胶质类芽孢杆菌对番茄、大豆、花生等有促进生长和提高产量的作用(表1)。杨威等[61]对番茄使用胶质类芽孢杆菌PM12处理,相比对照组,番茄根量、地上部分生物量分别提高了57.9%、27.6%,提早开花6.9 d,坐果量增加0.6穗果,植株发病率降低9.0%。杨德臣等[62]对大豆植株施用胶质类芽孢杆菌3016菌剂,发现大豆株高和产量与对照相比有一定程度增加。常文智等[14]对花生植株施用胶质类芽孢杆菌3016与50%常规施肥量后,发现花生单株总果数、单株总果重、百仁重、出米率和产量分别比对照增加了27.1%、22.9%、7.8%、2.4%和10.4%,得到了一种降本增效的施肥方法。

3.6 巨大芽孢杆菌的促生

巨大芽孢杆菌对番茄、桉树等有促进生长和提高生物量的作用(表1)。杨威等[61]对番茄使用巨大芽孢杆菌HT517处理,相比对照组,番茄根量、地上部分生物量分别提高了102.2%、30.1%,提早开花8.2 d,坐果量增加1.1穗果,植株发病率降低51.0%。覃小红[63]将前期分离保存的巨大芽孢杆菌DU07制成菌肥施用到桉树后,发现其可一定程度上促进了桉树树高和胸径的增加,效果随着生长时间的延长而更加明显。罗欢等[17]研究发现在盐胁迫条件和非盐胁迫条件下,巨大芽孢杆菌CJLC2对番茄的根长、株高和鲜重均有显著促生作用。

3.7 贝莱斯芽孢杆菌的促生

贝莱斯芽孢杆菌对草莓、烟草、白菜、多花黄精等有促进生长的作用(表1)。袁洪波等[64]研究发现贝莱斯芽孢杆菌P2-1能有效防治草莓褐色叶斑病,同时能促进草莓植株生长,使草莓株高、根长、湿质量和干质量相比对照分别提高24.83%、40.74%、28.88%和55.69%。周向平等[19]使用贝莱斯芽孢杆菌F10处理烟草后,发现烟草根系和地上部生长显著优于对照,大田烟叶产量、上等烟比例和上中等烟比例比对照分别提高11.82%、31.46%和13.17%。张世昌[64]通过对贝莱斯芽孢杆菌B006的研究,发现该菌处理的白菜相比对照组出苗整齐,整体长势较好,白菜株高、地上部分鲜重与干重均有显著提高,且对低水肥条件更具有适应性。迟惠荣等[65]从多花黄精内部分离出贝莱斯芽孢杆菌ZJU-3,发现该菌对多花黄精的根长和单株根数具有明显的促进效果。

3.8 其他芽孢杆菌的促生

其他芽孢杆菌对玉米、苹果、烟草、水曲柳、番茄等有促进生长和提高抗病能力的作用(表1)。马婷玉等[50]将阿耶波多氏芽孢杆菌Bar295接种到盐胁迫条件下的玉米幼株,显著增加了株高、茎粗、地上部与地下部干重以及根冠比。明立伟等[51]发现特基拉芽孢杆菌Bte724能促进玉米幼苗的生长,缓解盐碱胁迫带来的伤害。杨永丰[54]发现地衣芽孢杆菌Bli279对寒富苹果根部和地上部分的生长具有促进作用,同时提升了植株抗病能力。王雯丽等[66]从烟草叶片中分离得到萎缩芽孢杆菌FJ1,发现该菌能促进烟草生长且对赤星病防效较好。刘悦等[67]发现蜡样芽孢杆菌SQL0164相比对照提高了水曲柳幼苗的鲜质量、株高,分别为51.2%、15.4%。赵文珺等[68]对番茄进行甲基营养型芽孢杆菌NKG-1灌根处理后,发现根长最大较对照提高55.01%,鲜重最大较对照提高35.62%,植株坐果数较对照提高28.57%,冠幅周径提高16.72%。

表1 芽孢杆菌对植物的促生Table 1 Promoting plant growth by Bacillus

4 展望与结语

植物生长发育和繁殖受多种因素调控,传统的农业生产借助化学肥料和生化药剂等多种方式促进植物的生长发育及防治病虫害。然而,这种方法往往只能获得短期的效果,同时对土壤环境造成难以逆转的伤害,也不利于生态环境的健康发展。生物防治通过生物之间的协同互作机制,减少人为施用生化制剂对生态坏境的污染及过度使用农药带来的危害。芽孢杆菌不仅可以降低农林产业的生产成本,而且具有强适用性、强抗逆性和广谱抗菌效果。此外,芽孢杆菌能够通过分泌生长激素、固氮、溶磷等生化反应来促进植物的生长发育。芽孢杆菌的诸多特性为传统农林业向绿色生态农林业转型提供了一个极具研究价值的方向。国内对芽孢杆菌的研究时间较晚,对大部分的芽孢杆菌种类都缺乏持续性和系统性的研究,将芽孢杆菌的自身代谢与植物的生长发育及对病虫害防御作为协同互作机制进行系统性的研究,在不同生境、不同植物种类的运用上,都还有待进一步研究。因此深入研究芽孢杆菌对植物生长发育的作用,将极大推进我国农林产业绿色健康发展。